DE102022002880A1

DE102022002880A1 - Modulares Antriebssystem

Info

Publication number: DE102022002880A1
Application number: DE102022002880.8A
Authority: DE
Inventors: auf Antrag nicht genannt. Erfinder
Original assignee: Egs Entw Fuer Getriebesysteme Mbh; EGS Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme mbH
Current assignee: Egs Entw Fuer Getriebesysteme Mbh; EGS Entwicklungsgesellschaft fur Getriebesysteme mbH
Priority date: 2022-08-09
Filing date: 2022-08-09
Publication date: 2024-02-15
Also published as: EP4322380A1

Abstract

Modulares Antriebssystem 1 für ein Kleinfahrzeug mit mindestens einer im Rahmen 17 integrierten Pedaleinheit 2 und mindestens einer in einem angetriebenen Rad 11 angeordneten Radnabeneinheit 12 und mit einer Batterie 21 und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis 23 verbundenen Umrichtersystem 24 zur Ansteuerung eines ersten Elektromotors 4 in jeder Pedaleinheit 2 und eines zweiten Elektromotors 14 in jeder Radnabeneinheit 12. In der Pedaleinheit 2 ist eine in einem Gehäuse 3 gelagerte Tretkurbelwelle 6 über ein Pedalgetriebe 5 mit dem ersten Elektromotor 4 verbindbar. In der Radnabeneinheit 12 ist der zweite Elektromotor 14 über ein Nabengetriebe 15 mit einer auf einer Achse 16 gelagerten Radnabe 13 verbindbar.Das Pedalgetriebe 2 und das Nabengetriebe 12 bestehen jeweils aus einem zweistufigen Planetengetriebesystem. Das erste Sonnenrad 42 der ersten dreiwelligen Planetenradstufe 41 treibt einen ersten Planetenträger 44 und stützt sich über ein erstes Hohlrad 49 mittelbar am Rahmen 17 ab. Der erste Planetenträger 44 treibt ein zweites Sonnenrad 52 der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe 51, das den zweiten Planetenträger 54 antreibt und sich über ein zweites Hohlrad 59 ebenfalls am Rahmen 17 des Fahrzeugs abstützt.Der zweite Planetenträger 54 ist in der Pedaleinheit 2 mit der Tretkurbelwelle 6 und in der Radnabeneinheit 12 mit der Radnabe 13 verbindbar. Die beiden Elektromotoren 4 und 14 sowie viele Bauteile der Pedalgetriebe 5 und Nabengetriebe 15 sind identisch.

Description

Die Erfindung betrifft ein modulares Antriebssystem, vorzugsweise für teilelektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, mit mindestens einer von einer Person mit Muskelkraft angetriebenen und im Rahmen des Kleinfahrzeugs integrierten Pedaleinheit und mindestens einer in einem angetriebenen Rad des Kleinfahrzeugs angeordneten Radnabeneinheit und mit einer Batterie als Speicher elektrischer Energie und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis verbundenen Umrichtersystem zur Ansteuerung eines ersten Elektromotors in jeder Pedaleinheit und eines zweiten Elektromotors in jeder Radnabeneinheit, wobei in der Pedaleinheit eine in einem Gehäuse gelagerte Tretkurbelwelle über ein Pedalgetriebe mit dem ersten Elektromotor verbindbar ist, und wobei in der Radnabeneinheit der zweite Elektromotor über ein Nabengetriebe mit einer auf einer Achse gelagerten Radnabe verbindbar ist.
Modulare Antriebssysteme nach diesem Oberbegriff sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der US 3,884,317 zeigt 1 ein 2-Rad-Fahrzeug mit einem ersten Elektromotor in einer Pedaleinheit, der dort als Generator wirkt, und mit einem zweiten Elektromotor in einer Radnabeneinheit, der hier das Vorderrad antreibt. Das in diesem Stand der Technik beschriebene Antriebssystem ist ein serieller Hybridantrieb, bei dem die an den Pedalen eingebrachte Leistung zuerst im Generator in der Pedaleinheit mechanisch-elektrisch gewandelt wird und dann in der Radnabeneinheit wieder elektrisch-mechanisch gewandelt wird. Die sonst z.B. in parallelhybriden Fahrrädern mit elektrischer Unterstützung übliche mechanische Drehmoment- und Drehzahlwandlung wird hier nur in dem elektrischen Teilsystem realisiert, das mindestens zwei Umrichter beinhaltet. Eine Batterie ist hier noch über einen Gleichstromzwischenkreis angebunden. Aus der Batterie heraus kann eine elektrische Unterstützungsleistung zu der mechanischen Pedalleistung addiert werden. Außerdem kann der zweite Elektromotor auch als Generator wirken und mit einem Teil der Bremsleistung die Batterie wieder laden, was die Gesamteffizienz eines so betriebenen Fahrzeugs erheblich steigert.
Aus diesem Stand der Technik ist in 2 auch eine Ausführungsvariante mit zwei Pedaleinheiten erkennbar und in 3 eine Ausführungsvariante mit zwei Motoreinheiten an den beiden Rädern, die hier aber nicht als Radnabeneinheiten ausgeführt sind.
In der weiteren Ausgestaltung dieser Erfindung ist erkennbar, dass die von den Pedalen bewegte Tretkurbelwelle ohne weitere Getriebestufen mit dem ersten Elektromotor verbunden ist und dass in der Radnabeneinheit der zweite Elektromotor ohne weitere Getriebestufen das Rad antreibt. Die ersten und zweiten Elektromotoren sind hier erkennbar groß und auch unterschiedlich groß. Zur Verkleinerung so eines Antriebssystems wäre es vorteilhaft, Auslegungen für eine Pedaleinheit und eine Radnabeneinheit mit kleineren Elektromotoren und Getriebestufen zur Drehmomentanpassung zu finden. Zur Kostenreduzierung wäre es zudem vorteilhaft, wenn das modulare Antriebssystem identische erste und zweite Elektromotoren hätte.
Aus der DE 196 00 698 A1 geht ebenfalls ein im Oberbegriff beschriebenes modulares Antriebssystem hervor. In der Pedaleinheit nach deren 3 ist ein erster Rotor eines ersten Elektromotors koaxial direkt mit der Tretkurbelwelle verbunden. In der Radnabeneinheit nach 4 treibt der zweite Elektromotor mit Außenläufer über einen koaxial damit verbundenen einfachen Planetenradsatz als Pedalgetriebe die Nabe.
Auch in den weit verbreiteten Parallelhybrid-Antrieben für Fahrräder sind die Elektromotoren, die dort in den Pedaleinheiten oder den Radnabeneinheiten sitzen und nur die Unterstützungsleistung in das System eintreiben, meist unterschiedlich. Ein Motor in einer Pedaleinheit ist z.B. in der CN 211519777 U gezeigt. Er liegt meist parallel zur Tretkurbelwelle, weil nahe an dieser Tretkurbelwelle üblicherweise ein Freilauf und eine Messvorrichtung für das Tretkurbeldrehmoment liegen. Ein Motor in einer Radnabeneinheit des gleichen Anmelders ist in der CN 206841656 U gezeigt. Hier kommt es darauf an, in einer möglichst kurzen axialen Baulänge mit einem kleinen Elektromotor und einem koaxial daran angeschlossenen Nabengetriebe ein für die Unterstützung des mechanischen Hauptantriebs ausreichendes Drehmoment zu erzeugen. Würde man aus solchen Pedaleinheiten und Radnabeneinheiten einen seriellen Hybridantrieb aufbauen, würde das zu einer Vielzahl von unterschiedlichen Bauteilen und damit zu höheren Kosten gegenüber einer Lösung für ein Antriebssystem mit identischen Teilsystemen führen.
Aus der DE 10 2021 102 992 A1 geht ebenfalls ein Vorschlag für eine Pedaleinheit eines modularen Antriebssystems nach dem Oberbegriff hervor. Diese kompakte Pedaleinheit beinhaltet eine Tretkurbelwelle, die in koaxialer Anordnung über ein Pedalgetriebe mit hoher Übersetzung einen kleinen ersten Elektromotor als Generator antreibt. Das Pedalgetriebe beinhaltet hier ein im Grundsatz bekanntes Zykloidengetriebe mit Planetenradstufe, acht Doppelexzenterwellen und zwei verzahnten Taumelscheiben, die über Zylinderbolzen in eine Hohlradverzahnung eingreifen. Solche Getriebestufen sind aus hochpräzisen Stellantrieben bekannt und erfordern dafür geeignete Fertigungsverfahren. Für den Einsatz in relativ einfachen Kleinfahrzeugen sind sie zu teuer.
Pedalgetriebene Kleinfahrzeuge brauchen preiswerte Pedal- und Radnabeneinheiten. Deshalb sind dafür Pedaleinheiten und Radnabeneinheiten mit relativ kleinen Elektromotoren und kleinen, einfachen und leichten Getriebesystemen gefragt.
Aus der DE 10 2017 213 303 A1 gehen im Prinzip sehr einfache Antriebseinheiten mit Kombinationen aus Elektromotor und Getriebe für Anwendungen in muskelbetriebenen Fahrzeugen hervor. 1 zeigt in einer Strichskizze ein Getriebe bestehend aus einer einfachen dreiwelligen Planetenradstufe mit einem Sonnenrad, einem Planetenträger mit mehreren Planetenrädern und einem Hohlrad, das mit dem Gehäuse der Antriebseinheit verbunden ist, wobei das Getriebe in einem Rotor des Elektromotors steckt. In 2 ist das Getriebe um eine weitere dreiwellige Getriebestufe mit gleichem Aufbau ergänzt. Der Planetenträger der ersten Getriebestufe ist mit dem Sonnenrad der zweite Getriebestufe verbunden, so dass sich eine wesentlich größere Gesamtübersetzung ergibt.
Solche zweistufigen Getriebe mit einfachen dreiwelligen Planetenradstufen sind seit langem bekannt. Die Getriebestruktur nach der o.a. 2 geht z.B. aus der ISBN 3-540-63227-1: H.W. Müller „Die Umlaufgetriebe“, 2. Auflage, S. 79, Bild 3.6 hervor. Diese Struktur ist im Stand der Technik weit verbreitet, weil insbesondere bei betragsmäßig kleinen Standübersetzzungen der Umlaufwirkungsgrad so einer Getriebestruktur wegen geringer verlustbehafteter Gleitwälzleistungsflüsse hoch ist.
Aus Prinzipskizzen für Antriebssysteme, wie denen aus der DE 10 2017 213 303 A1 , kann man nicht auf alle Funktionen, Drehmoment- und Leistungsdichten, Festigkeiten, Herstellbarkeit, Montierbarkeit und Kosten der Systeme schließen. Entscheidend für die tatsächliche Güte eines Antriebssystems ist die geschickte detaillierte Anordnung und Ausgestaltung der Bauteile. Möglichst wenige und davon noch identische Bauteile in den Pedal- und Radnabeneinheiten können die Kosten erheblich reduzieren.
Mögliche Ausgestaltungen der 1 aus der DE 10 2017 213 303 A1 gehen aus der DE 10 2019 114 120 A1 hervor. In den 1 und 2 dieser Schrift ist eine konstruktive Ausgestaltung für eine Anwendung als Radnabeneinheit gezeigt, bei der das Gehäuse am Rahmen des Fahrzeugs sitzt und eine Abtriebswelle zum Antrieb einer Radnabe zentral durch diese Antriebseinheit hindurch geht. Diese Antriebseinheit baut in axialer Richtung kurz, aber in radialer Richtung groß und wegen der hohen Dichte der weit außen liegenden Statorbleche auch schwer. Die Anordnung des Getriebes mit dem hohen Abtriebsdrehmoment auf einem kleinen Durchmesser im Rotor des Elektromotors mit dem kleinen Antriebsdrehmoment wirkt zu kompliziert. Denn der Leistungsfluss geht vom außenliegenden Elektromotor zuerst nach innen zum Sonnenrad, dann wieder nach außen zum Planetenträger, von dort wieder nach innen zur innenliegenden Abtriebswelle und dann wieder nach außen über die Radnabe zum Rad.
Auf Basis der Würdigung dieses Standes der Technik liegt dieser Erfindung folgende Aufgabenstellung zugrunde. Es soll eine Lösung für ein modulares Antriebssystem mit einer im Durchmesser kleinen Pedaleinheit und einer in axialer Länge kurzen Radnabeneinheit gefunden werden, bei der in einer Pedaleinheit eine innen liegende Tretkurbelwelle mit einem hohen maximalen Kurzzeit-Drehmoment über ein kompaktes Getriebesystem einen im Durchmesser kleinen Elektromotor so antreibt, dass die Fahrer ein zu klassischen Fahrädern vergleichbares Fahrgefühl erleben können. Der Elektromotor und das Getriebesystem sollen aber auch geeignet sein, in der Radnabeneinheit ein für pedalgetriebene Kleinfahrzeuge ausreichendes Raddrehmoment zu erzeugen und auf kurzem Weg auf eine außen liegende Radnabe zu übertragen.
Für minimale Systemkosten soll ein möglichst viele Funktionen und Bauteile umfassendes Teilsystem in beiden Einheiten identisch sein. Die Pedaleinheit und die Radnabeneinheit sollen darüber hinaus nur noch wenige weitere spezifische Bauteile in möglichst einfach gestalteten Gehäusen aufweisen. Die Gehäuse sollen wenige Gehäuseteile und Gehäusedeckel aufweisen, um die zu dichtenden Gehäuseflächen zu minimieren. Und die Montage soll einfach sein. Außerdem sollen sich die Module des modularen Antriebssystems möglichst einfach in die Rahmen verschiedener Kleinfahrzeuge einbauen lassen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben nach den kennzeichnenden Teilen der Ansprüche gelöst.
Nach Anspruch 1 ist in der Pedaleinheit der erste Elektromotor, bestehend aus einem ersten Rotor und einem ersten Stator, koaxial zur Tretkurbelwelle angeordnet und das Pedalgetriebe ist axial neben dem ersten Elektromotor angeordnet und beinhaltet zwei einfache dreiwellige Planetenradstufen, jede mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einem Planetenträger mit mehreren darauf gelagerten Planetenrädern, wobei das erste Sonnenrad der ersten dreiwelligen Planetenradstufe mit der ersten Rotorwelle des ersten Elektromotors verbunden ist, die auch den ersten Rotor trägt, und wobei der erste Planetenträger der ersten dreiwelligen Planetenradstufe mit dem zweiten Sonnenrad der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe verbindbar ist und wobei der zweite Planetenträger der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe mit der Tretkurbelwelle verbindbar ist und wobei sowohl das erste Hohlrad der ersten dreiwelligen Planetenradstufe als auch das zweite Hohlrad der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe mit einem Gehäuse der Pedaleinheit verbindbar ist, das auch den ersten Stator des ersten Elektromotors trägt.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist in Anspruch 2 vorgeschlagen, dass im Pedalgetriebe das erste Hohlrad und das zweite Hohlrad ein identisches Verzahnungsprofil aufweisen und in einem gemeinsamen Hohlrad zusammengefasst sind, dessen Teilkreisdurchmesser mit einer Toleranz von +/- 25% betragsmäßig so groß ist wie der Außendurchmesser des ersten Stators des ersten Elektromotors.
Einfache Planetenradstufen mit z.B. fünf Planetenrädern für höchste Tragfähigkeiten können negative Standübersetzungen bis zu einem Betrag von ca. 3,3 haben. Bei diesen Standübersetzungen ergeben sich auch dann kleine Durchmesser an den Hohlrädern, wenn eine am Markt übliche Tretkurbelwelle noch durch die Sonnenräder hindurchgeht.
Bei einer Standübersetzung von z.B. -3,0 ergibt sich bei festgehaltenem Hohlrad eine Umlaufübersetzung von +4 zwischen dem Sonnenrad und dem Planetenträger. In einer Anordnung nach Anspruch 1 mit zwei hintereinander geschalteten Planetenradstufen ergibt sich dann eine Gesamtübersetzung von +16 zwischen dem Rotor des ersten Elektromotors und der Tretkurbelwelle. In pedalgetriebenen Fahrzeugen liegen die meisten Tretkurbeldrehzahlen deutlich unter 100/min. Mit einer Übersetzung 1:16 zum Generator dreht dann der erste Elektromotor mit deutlich weniger als 1600/min. Die meisten am Markt verfügbaren Elektromotoren für pedalgetriebene Kleinfahrzeuge laufen bei diesen Drehzahlen sehr leise.
Wenn dieser erste Elektromotor als Pedal-generator ein max. Drehmoment von ca. 10 Nm kurzzeitig abstützen kann, ist eine damit ausgerüstete Pedaleinheit für Drehmomentbelastungen an der Tretkurbelwelle von kurzzeitig ca. 160 Nm geeignet. Ein Mensch mit z.B. 90 kg Masse bewirkt beim einbeinigen Stand auf dem Pedal einer Standard-Tretkurbel mit 170 mm Länge ein Tretkurbeldrehmoment von 153 Nm. Die meisten derzeit am Markt vertretenen Pedalgeneratoren haben deutlich weniger Drehmomentkapazitäten, die dann aber auch zu schlecht bewerteten Pedalgefühlen führen, weil die Pedale dann bei Extrembelastung mangels Abstützung gefühlt „durchrutschen“.
Nach Anspruch 3 sollen die ersten Planetenräder aus Kunststoff bestehen. Nach Anspruch 4 sollen zusätzlich auch die zweiten Planetenräder aus Kunststoff bestehen.
Bei 10 Nm maximalem Drehmoment vom ersten Elektromotor und fünf Planeten in der ersten Planetenradstufe hat dort jeder Zahneingriff des Sonnenrades nur 2 Nm zu übertragen. Geht man z.B. von einem Außendurchmesser des Stators des ersten Elektromotors von ca. 100 mm aus und der Ausgestaltung nach Anspruch 2 und Hohlraddurchmessern ähnlich dem Außendurchmesser des Stators, dann hat bei der oben genannten Standübersetzung das Sonnenrad eine Wirkdurchmesser von ca. 34 mm. Bei 2 Nm pro Zahneingriff und 5 mm gemeinsamer Verzahnungsbreite ergibt das eine Linienlast von nur 23 N/mm pro Zahneingriff. Kunststoffzahnräder können das mit den heute verfügbaren Kunststoffen sicher übertragen. Die Kunststoffverzahnung im Eingriff mit einer Metallverzahnung in der ersten und damit schnellen Getriebestufe bewirkt eine deutliche Geräuschreduzierung gegenüber Zahneingriffen mit der Materialpaarung Metall gegen Metall.
Die zweite dreiwellige Planetenradstufe dreht zwar um ca. den Faktor 4 langsamer als die erste dreiwellige Planetenradstufe und weist dann in gleichem Maße höhere Drehmomentbelastungen auf. Bei hohen Anforderungen an das Geräuschverhalten ist dann aber die ca. im gleichen Faktor größere Breite der Planetenräder aus Kunststoff in dieser Getriebestufe gerechtfertigt. Würde man die zweite dreiwellige Planentenradstufe aus gehärteten und geschliffenen Zahnrädern ausstatten, so könnte man etwas Bauraum sparen, aber zu Lasten des Betriebsgeräusches.
Nach Anspruch 5 sollen im Pedalgetriebe das erste Sonnenrad und das zweite Sonnenrad identische Profile der Sonnenradverzahnungen aufweisen. Sie lassen sich dann z.B. aus einem durch Drehbearbeitung und Wälzfräsen hergestellten viel längeren Verzahnungsteil durch Trennen und Nachbearbeiten kostengünstig herstellen.
Die Ansprüche 6 bis 10 betreffen die Übereinstimmungen von Bauteilen der Pedaleinheit und der Radnabeneinheit zur Reduzierung der Teilvielfalt und damit zur Reduzierung der Herstellungskosten.
So ist nach Anspruch 6 vorgeschlagen, dass der zweite Elektromotor in der Radnabeneinheit einen zweiten Stator aufweist, der zum ersten Stator des ersten Elektromotors identisch ist. Und nach Anspruch 7 ist vorgeschlagen, dass der zweite Elektromotor einen zweiten Rotor aufweist, der zu dem ersten Rotor des ersten Elektromotors identisch ist.
In einem modularen Antriebssystem mit zwei Antriebseinheiten mit je einem Elektromotor ist es sicher von Vorteil, wenn eine Auslegung gelingt, bei der die beiden Motoren identisch sind. In solchen Antriebssystemen für Kleinfahrzeuge sind die Elektromotoren entscheidende Bauteile und haben einen nennenswerten Anteil an den Produktionskosten. Eine Vereinheitlichung der beiden Motoren führt zu einer erheblichen Kostensenkung und steigert damit die Wettbewerbsfähigkeit des gesamten Antriebssystems.
Statoren von Elektromotoren haben im Achsschnitt auf beiden Seiten Wickelköpfe. Diese unterscheiden sich, weil auf einer Seite die Kabelbündel zum Anschluss der Phasen und zum Anschluss integrierter Sensoren abgehen. Je nachdem, wo die Kabel aus einer Antriebseinheit herausgehen sollen, wird der Stator in der dafür geeigneten axialen Ausrichtung in die Anschlusskonstruktion eingebaut. Die Rotorwellen von Pedaleinheit und Radnabeneinheit können sich deshalb in einigen geometrischen Details unterscheiden, wenn z.B. die Statoren bzgl. der Positionen der Kabelabgänge in Pedaleinheit und Radnabeneinheit unterschiedlich sind und damit dann auch die axialen Positionen der Rotoren. Der Kostenvorteil identischer Statoren und Rotoren ist aber unabhängig von der eventuell unterschiedlichen Einbaulage dieser Bauteile.
In Anspruch 8 geht es um den prinzipiellen Aufbau des Nabengetriebes und dessen Anordnung relativ zum zweiten Elektromotor. Hierzu wird beansprucht, dass das Nabengetriebe in der Radnabeneinheit koaxial zu dem zweiten Elektromotor und axial neben diesem angeordnet ist und auch zwei einfache dreiwellige Planetenradstufen beinhaltet, jede mit einem Sonnenrad, einem Hohlrad und einem Planetenträger mit mehreren darauf gelagerten Planetenrädern, wobei das erste Sonnenrad der ersten dreiwelligen Planetenradstufe mit der zweiten Rotorwelle des zweiten Elektromotors verbunden ist, die auch den zweiten Rotor trägt, und wobei der erste Planetenträger der ersten dreiwelligen Planetenradstufe mit dem zweiten Sonnenrad der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe verbindbar ist und wobei der zweite Planetenträger der zweiten Planetenradstufe mit der auf der innenliegenden Achse gelagerten Radnabe verbindbar ist und wobei sowohl das erste Hohlrad der ersten dreiwelligen Planetenradstufe als auch das zweite Hohlrad der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe mit einem Bauteilträger der Radnabeneinheit verbindbar ist, der auch den zweiten Stator des zweiten Elektromotors trägt, und wobei der Bauteilträger mit der Achse der Radnabeneinheit verbindbar ist.
Das Nabengetriebe soll also im Prinzip genauso aufgebaut sein wie das Pedalgetriebe. Der zweite Planetenträger ist hier aber mit der Radnabe verbunden, die auf der innenliegenden Achse gelagert ist, die auf kurzem Weg mit dem Rahmen verbindbar ist. Das führt im Gegensatz zum beschriebenen Stand der Technik zu einer sehr kompakten Radnabeneinheit.
In der Pedaleinheit und in der Radnabeneinheit hat der Elektromotor die kleinste Drehmomentbelastung und der zweite Planetenträger der zweiten Planetenradstufe hat die größte Drehmomentbelastung. In der Pedaleinheit ist dieser zweite Planetenträger nach innen mit der innen liegenden Tretkurbelwelle verbunden. In der Radnabeneinheit ist der zweite Planetenträger mit der Radnabe verbunden, die auf einem großen Durchmesser das Rad trägt. Eine Nebeneinander-Anordnung der Elektromotoren und der Getriebesysteme führt insgesamt zu kompakteren und leichteren Konstruktionen mit identischen Elektromotoren als eine Anordnung der Getriebestufen innerhalb des Rotors, wie das aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In den Ansprüchen 9 und 10 ist dann abschließend zur Ausgestaltung der Pedaleinheiten und der Radnabeneinheiten noch vorgeschlagen, dass nach Anspruch 9 im Pedalgetriebe und im Nabengetriebe die jeweils ersten Planetenräder und die ersten Planetenträger identisch sind, und dass nach Anspruch 10 im Pedalgetriebe und im Nabengetriebe die jeweils zweiten Planetenräder und die zweiten Sonnenräder identisch sind.
Aus der Kombination der Ansprüche 5, 9 und 10 ergibt sich dann auch, dass die Hohlradverzahnungen im Pedalgetriebe und im Nabengetriebe im Stirnschnitt gleich sind. Mit Anspruch 6 ergibt sich dann auch die optionale Möglichkeit, den zweiten Stator durch die Hohlradverzahnung im Bauteilträger zu montieren, wenn der Kopfkreisdurchmesser der Hohlradverzahnung betragsmäßig etwas größer ist als der Außendurchmesser des zweiten Stators. Das ist dann von Vorteil, wenn der Bauteilträger Teil der Achse in der Radnabeneinheit ist.
In der Pedaleinheit treibt eine innen liegende Tretkurbelwelle über das Pedalgetriebe einen ersten Elektromotor, der hauptsächlich als Generator betrieben wird. In der Radnabeneinheit ist die Radnabe auf einer innen liegenden, mit dem Rahmen verbundenen Achse gelagert und wird vom zweiten Elektromotor über das Nabengetriebe angetrieben. Ein wesentlicher Schwerpunkt der Erfindung betrifft die Ausgestaltung der Pedaleinheit und der Radnabeneinheit mit möglichst vielen identischen Komponenten in einem möglichst kleinen Bauraum für eine sehr kostengünstiger Produktion.
Die Erfindung ist nicht nur auf die Merkmale ihrer Ansprüche beschränkt. Denkbar und vorgesehen sind auch Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale und Kombinationsmöglichkeiten einzelner Anspruchsmerkmale mit dem in den Vorteilsangaben und zu den Ausgestaltungsbeispielen Offenbarten.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auch auf nach dem Stand der Technik gleichwirkende Lösungen. So sind zum Beispiel Kugellager für eine gekoppelte Abstützung von Radial- und Axialkräften auch durch eine Kombination eines reinen Radiallagers und eines Axiallagers ersetzbar. Wälzlager sind durch Gleitlager ersetzbar und umgekehrt. Stegwangen mit integrierten Planetenradzapfen sind gleichwertig auch durch Stegwangen mit eingepressten Planetenradbolzen darstellbar. Für die Verbindungen von Wellen gibt es neben Zylinderpressverbindungen und Zahnwellenverbindungen viele technisch gleichwertige Alternativen.
In 6 Figuren sind Ausführungsbeispiele für die Module des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems in zweidimensionalen Achsschnitten im Detail dargestellt.
Im Einzelnen zeigen dabei:

1 den grundsätzlichen strukturellen Aufbau des modularen Antriebssystems mit mindestens einer Pedaleinheit, mindestens einer Radnabeneinheit und den weiteren Modulen wie mindestens einer Batterie sowie den Komponenten zur Steuerung, Regelung und Bedienung des Systems,
2 einen Achsschnitt durch eine Pedaleinheit mit Tretkurbeln und Pedalen sowie angedeuteten Schnittstellenblechen zur Anbindung der Pedaleinheit an den Fahrzeugrahmen,
3 einen Achsschnitt durch die Pedaleinheit nach 2 ohne Tretkurbeln und Pedale zur besseren Darstellung der inneren Bauteile dieses Moduls,
4 einen Achsschnitt durch eine Radnabeneinheit mit angeschraubtem Rad, Bremsscheibe und Bremssattel in einer zweiseitigen Gabelaufhängung,
5 einen Achsschnitt durch die Radnabeneinheit nach 4 ohne Rad, Bremssattel und Rahmenteile zur besseren Darstellung der inneren Bauteile dieses Moduls,
6 einen Achsschnitt durch eine Radnabeneinheit mit angeschraubtem Rad, Bremsscheibe und Bremssattel für eine einseitige Rahmenaufhängung.

1 verdeutlicht den grundsätzlichen strukturellen Aufbau des modularen Antriebssystems 1 für ein teilelektrisch angetriebenes Kleinfahrzeug. Das Antriebssystem 1 weist mindestens eine von einer Person mit Muskelkraft über eine Tretkurbelwelle 6 angetriebene Pedaleinheit 2 auf, die im Rahmen 17 des Fahrzeugs verbaut ist, und mindestens eine in einem angetriebenen Rad 11 des Kleinfahrzeugs angeordnete Radnabeneinheit 12. Aufsummiert über einen typischen Fahrzyklus verbraucht ein Fahrzeug mit so einem Antriebssystem 1 an den angetriebenen Rädern 11 meist mehr Energie als durch die Pedaleinheiten 2 in das Antriebssystem 1 eingespeist werden. Deshalb benötigt so ein Antriebssystem 1 mindestens eine Batterie 21, die auch im Stillstand des Fahrzeugs durch Anbindung an ein äußeres elektrisches Netz geladen werden kann. Ein Batteriecontroller 22 überwacht den Lade- und den Lastzustand der Batterie.
Die Pedaleinheiten 2 weisen erste Elektromotoren 4 auf und die Radnabeneinheiten 12 weisen zweite Elektromotoren 14 auf. Die ersten Elektromotoren 4 und die zweiten Elektromotoren 14 stehen über ein Umrichtersystem 24 mit je einem Umrichter für jeden Elektromotor und einen Gleichstromzwischenkreis 23 untereinander und mit der Batterie 21 in Verbindung. Ein Steuergerät 25 steuert den Energiehaushalt der Batterie 21 und die Leistungen der Elektromotoren 4 und 14 abhängig von den Eingabedaten von den Fahrern über ein Bedienfeld 26 und von den in der Steuerungssoftware implementierten Algorithmen. Die Kommunikation mit den Fahrern erfolgt zudem über ein Anzeigemodul 27. Das Bedienmodul 26 und das Anzeigemodul 27 können auch zu einem gemeinsamen Modul zusammengefasst sein.
Die Leistungsübertragung zwischen den Pedaleinheiten 2, den Radnabeneinheiten 12 und der Batterie 21 erfolgt in diesem modularen Antriebssystem 1 elektrisch ohne einen rein mechanischen Leistungspfad. Damit sind mindestens folgende Vorteile verbunden. Jeder Fahrer des Kleinfahrzeugs kann über seine Pedaleinheit 2 eine individuell von ihm bzw. für ihn vorgegebene Nenn-Leistung bei einer individuell definierten Nenn-Drehzahl der jeweiligen Tretkurbelwelle 6 als Funktion der Fahrgeschwindigkeit einspeisen. In den Pedaleinheiten 2 sind die ersten Elektromotoren 4 über Pedalgetriebe 5 mit konstanter Übersetzung mit den Tretkurbelwellen 6 verbunden. Die ersten Sensoren 34 für die Rotorlagen der ersten Elektromotoren 4 ermöglichen somit auch eine sehr genau Bestimmung der Drehzahlen der Tretkurbelwellen 6. In Verbindung mit einem einfach zu realisierenden Triggersignal für eine bestimmten Drehwinkelposition einer Tretkurbel 9 kann die Steuerung auch die Rotationslage der rechten bzw. linken Tretkurbel unterscheiden.
Der Regelalgorithmus für die Drehzahl an der Tretkurbelwelle 6 jeder Pedaleinheit 2 definiert das Soll-Verhältnis von Tretkurbeldrehzahl zur Raddrehzahl beginnend von einem max. Wert bei Stillstand des Fahrzeugs und kleinen Geschwindigkeiten und dann mit der Geschwindigkeit abnehmend, bis der Verlauf der Nenn-Drehzahl über der Geschwindigkeit erreicht ist. Die ungleichförmig wirkenden Pedalkräfte und die davon erzeugten Antriebsdrehmomente an der Tretkurbelwelle würden ohne ein passendes Lastdrehmoment des Generators zu stark ungleichförmigen Beschleunigungen der Tretkurbelwelle führen. Ein einfach nach dem Stand der Technik aufgebauter PID-Regler regelt das Lastdrehmoment des als Generator wirkenden ersten Elektromotors 4 so, dass die Soll-Tretkurbeldrehzahl schnell und gut erreicht wird. So ein Regler lässt sich so abstimmen, dass das damit geregelte Drehmoment einen dynamischen Verlauf über dem Tretkurbelwinkel einnimmt, der sehr ähnlich dem dynamischen Drehmomentverlauf in einem herkömmlichen konventionell angetriebenen Fahrrad ist. Das Fahrgefühl wird dadurch von den Fahrern als sehr natürlich beschrieben.
Das effektive bzw. mittlere Fahrerdrehmoment ergibt sich aus einer Glättung des dynamischen Drehmomentverlaufs. Mit dem o.a. Triggersignal ist sogar eine Unterscheidung zwischen dem Drehmoment an der rechten Tretkurbel und an der linken Tretkurbel möglich.
Jede dieser elektrischen Pedalleistungen jedes ersten Elektromotors 4 fließt über einen ersten Umrichter im Umrichtersystem 24 in den Gleichstromzwischenkreis 23 und von dort in die Batterie 21 und/oder über zweite Umrichter im Umrichtersystem 24 zu den zweiten Elektromotoren 14 in den Radnabeneinheiten 12, um den Leistungsbedarf für die aktuelle Fahrsituation zu decken.
Wie bei einem herkömmlichen Fahrrad decken die Fahrer, solange sie unterhalb ihrer wie oben beschrieben definierten Leistungsgrenze pedalieren, allein den Leistungsbedarf des Fahrzeugs. Bei diesen Leistungsgrenzen könnte man, wie ebenfalls oben schon beschrieben, zwischen Leistungsgrenzen für einzelne Fahrer und für deren rechtes und deren linkes Bein unterscheiden. In einem Fahrrad mit elektrischer Unterstützung erhöht der Fahrer die Unterstützungsleistung aus der Batterie, wenn seine momentane Leistung bei Erreichen seiner Leistungsgrenze für den gewünschten Fahrzustand nicht mehr ausreicht. So einen Vorgang kann man in dem erfindungsgemäßen modularen Antriebssystem 1 leicht automatisieren.
Wenn die Fahrer das Fahrzeug beschleunigen wollen oder wenn Sie eine größere Steigung befahren wollen, erhöhen sie ihre Pedalier-Leistung. Bei Erreichen der individuellen oberen Leistungsgrenze erhöht die Steuerung die Batterieleistung kontinuierlich, so dass das Fahrzeug mehr Raddrehmoment erhält. Dadurch beschleunigt das Fahrzeug oder kann größere Steigungen befahren. Wird das Fahrzeug dabei zu schnell, so verringern die Fahrer an den Pedaleinheiten ihren Leistungseinsatz. Fällt dieser unter eine untere Leistungsgrenze, so reduziert die Steuerung die Batterieleistung kontinuierlich, bis die Fahrer wieder ohne Unterstützung aus der Batterie das Fahrzeug antreiben. Eine ausreichende Differenz zwischen der oberen und der unteren Leistungsgrenze vermeidet ein permanentes Erhöhen und Absenken der Batterieleistung beim Fahren im Bereich der Leistungsgrenze.
Ein Antriebssystem dieser Art mit so einer Steuerung ermöglicht ein stufenloses Verhältnis zwischen den Drehzahlen an den Tretkurbelwellen 6 der Pedaleinheiten 2 und den Abtriebsdrehzahlen an den Radnaben 13 der Radnabeneinheiten 12. Es ermöglicht außerdem ein automatisches und stufenloses Anpassen der Unterstützungsleistung aus der Batterie 21. Ein Mindestleistungseinsatz jedes Fahrers ist dabei einfach zu definieren und zu überwachen, so dass Fahrzeuge mit so einem Antriebssystem auch den derzeitigen Regularien genügen.
Kleinfahrzeuge mit so einem modularen Antriebssystem 1 sind wegen der o.a. Regelungs- und Steuerungsmöglichkeiten insbesondere für schwächere Fahrer oder Fahrer mit krankheits- oder altersbedingten körperlichen Einschränkungen geeignet. Solche Personen können auf sogenannten Therapie-Fahrzeugen sogar gezielt trainiert werden. Abhängig von biometrischen Daten können dann die individuell vorgegebenen Leistungsgrenzen und Tretkurbeldrehzahlen im Rahmen eines Trainingsplans oder Therapieplans variiert werden. Die zu trainierenden oder zu therapierenden Personen können auch ganz von Antriebsaufgaben entbunden werden, wenn mindestens eine weitere Person das Fahrzeug mindestens teilweise antreibt.
2 zeigt eine Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Pedaleinheit 2 mit einer zentral liegenden Tretkurbelwelle 6, an deren beiden Enden Tretkurbeln 9 form- und kraftschlüssig angebracht sind. An den Tretkurbeln 9 sind in bekannter Weise Pedale 10 angeschraubt. An den Tretkurbeln 9 stützen sich über Federscheiben axial vorgespannte Labyrinthkörper 61 ab, die mit dem Gehäuse 3 der Pedaleinheiten ein Labyrinth zur Verstärkung der Dichtwirkung gegen eintretenden Schmutz und Feuchtigkeit bilden.
3 zeigt die Pedaleinheit 2 nach 2 in einer vergrößerten Darstellung ohne Tretkurbeln 9 und ohne Pedale 10. Die Tretkurbelwelle 6 ist an beiden Enden über ein erstes Hauptlager 7 und ein zweites Hauptlager 8 in einem zweiteiligen Gehäuse 3 der Pedaleinheit 2 gelagert. Diese beiden Lager 7 und 8 sind vorzugsweise für eine Lebensdauerschmierung abgedichtet.
In der in 3 linken Hälfte des Gehäuses 3 der Pedaleinheit 2 ist der erste Stator 35 des ersten Elektromotors 4 über seinen Außendurchmesser und einen axialen Anschlag 64 positioniert. Dieser Stator 35 ist so ausgerichtet, dass der Wickelkopf mit den vielen abgehenden Phasen- und Sensorkabeln relativ mittig in der Pedaleinheit 2 liegt, damit das zusammengefasste Kabelbündel 28 möglichst mittig aus dem Gehäuse 3 der Pedaleinheit 2 herausgeführt werden kann. Das Kabelbündel 28 verläuft durch eine Gummimuffe 29 zur Abdichtung und mündet in einem Stecker 30 zur elektrischen und elektronischen Anbindung der Pedaleinheit 2 über den Kabelbaum des modularen Antriebssystems 1 an dessen andere Module.
Der erste Rotor 31 des ersten Elektromotors 4 sitzt auf der ersten Rotorwelle 32, die in der in 3 linken Hälfte des Gehäuses 3 über ein erstes Rotorlager 33 auf der Tretkurbelwelle 6 gelagert ist und die auch mit dem ersten Sonnenrad 42 der ersten dreiwelligen Planetenradstufe 41 des Pedalgetriebes 5 verbindbar ist. Die erste Rotorwelle 32 kann einteilig oder mehrteilig ausgestaltet sein, je nach den Fertigungseinrichtungen der Hersteller. Das erste Sonnenrad 42 kämmt mit mehreren, hier fünf, ersten Planetenrädern 47, die gleichmäßig am Umfang verteilt in einem ersten Planetenträger 44 sitzen. Dieser erste Planetenträger 44 weist nur eine erste Stegwange 45 mit ersten Planetenradzapfen 46 auf, auf denen die ersten Planetenräder 47 über Kugellager als erste Planetenradlager 48 gelagert sind. Die ersten Planetenräder 47 sind aus Kunststoff gefertigt, so dass die Zahneingriffe zwischen dem ersten Sonnenrad 42 aus Metall und den ersten Planetenrädern 47 aus Kunststoff möglichst leise erfolgen. Die ersten Planetenräder 47 greifen in ein erstes Hohlrad 49 ein, das ein Teil der in 3 rechten Hälfte des Gehäuses 3 der Pedaleinheit 2 ist. Das erste Sonnenrad 42 ist über ein erstes Sonnenradlager 43 gegenüber der Tretkurbelwelle 6 gelagert.
Die ersten Planetenradzapfen 46 sind hier aufgebohrt und nehmen von einer Seite korrespondierende hohle Zapfen an einem Kunststoffdeckel 50 auf, die in die aufgebohrten ersten Planetenradzapfen 46 gepresst und eventuell geklebt sind. Zusätzlich können in die hohlen Zapfen des Kunststoffdeckels 50 von der Stegseite noch Klemmkugeln 66 eingepresst werden, wenn das für einen sicheren Halt nötig ist. Dadurch entsteht ein sicherer Form- und Kraftschluss zwischen dem Kunststoffdeckel 50 und der ersten Stegwange 45, der ausreicht, mögliche axiale Kräfte aus der Planetenradlagerung aufzunehmen.
Der Kunststoffdeckel 50 dient auch als elektrische Isolation zwischen den metallischen Bauteilen des Pedalgetriebes 5 und den sehr nah daneben angeordneten Statorwicklungen.
Der Kunststoffdeckel 50 weist am inneren Rand auch noch eine axiale Verlängerung 65 mit geringem Spiel zur Rotorwelle auf. Der Kunststoffdeckel 50 soll damit den stark mit Fett geschmierten Bauraum für das Pedalgetriebe 5 gegenüber dem wenig Fett enthaltenden Raum des ersten Elektromotors 4 berührungslos abdichten.
Zur Minimierung der Fettmenge im Pedalgetriebe 5 sind alle Kugellager schon werksseitig geschmiert und gedichtet. Die darüber hinaus in die Pedaleinheit 2 eingebrachte Fettmenge dient dann nur noch zur Schmierung der Gleitlager und der Zahneingriffe.
Die erste Stegwange 45 des ersten Planetenträgers 44 ist mit dem zweiten Sonnenrad 52 der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe 51 des Pedalgetriebes 5 verbunden. Dieses zweite Sonnenrad 52 hat das gleiche Verzahnungsprofil wie das erste Sonnenrad 42, so dass die beiden Sonnenräder auch aus einem gemeinsam verzahnten Bauteil durch Trennen und weitere Bearbeitungen erzeugt werden könnten. Die Verbindung zwischen der ersten Stegwange 45 und dem zweiten Sonnenrad 52 erfolgt über eine Pressverbindung mit zylindrischer Nabenbohrung in der ersten Stegwange 45 auf einem verzahnten Wellenabsatz des zweiten Sonnenrades 52, der bei Belastung einen Mikroformschluss bewirkt. Dieser verzahnte Wellenabsatz ergibt sich durch geringfügiges radiales Kürzen der Laufverzahnung des zweiten Sonnenrades 52, wodurch gleichzeitig ein axialer Anschlag entsteht. Diese Verbindung baut in axialer Richtung sehr kurz.
Die zweiten Sonnenräder 52 sind mittels zweiter Sonnenradlager 53 auf der Tretkurbelwelle 6 gelagert und kämmen mit mehreren, hier ebenfalls fünf, zweiten Planetenrädern 57, die gleichmäßig am Umfang verteilt in einem zweiten Planetenträger 54 sitzen. Dieser zweite Planetenträger 54 weist ebenfalls nur eine zweite Stegwange 55 mit längeren zweiten Planetenradzapfen 56 auf, auf denen die breiteren zweiten Planetenräder 57 ebenfalls über Kugellager als zweite Planetenradlager 58 gelagert sind. Die axiale Fixierung und Vorspannung der zweiten Planetenradlager 58 erfolgt über mit den zweiten Planetenradzapfen verschraubte Passscheiben 67.
Die zweiten Planetenräder 57 sind in dieser Ausführungsvariante ebenfalls aus Kunststoff gefertigt, so dass auch in der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe 51 die Zahneingriffe zwischen dem zweiten Sonnenrad 52 aus Metall und den zweiten Planetenrädern 57 aus Kunststoff leise erfolgen. Die zweiten Planetenräder 57 greifen in ein zweites Hohlrad 59 ein, dass ebenfalls ein Teil der in 3 rechten Hälfte des Gehäuses 3 der Pedaleinheit 2 ist.
Die Hohlradverzahnungen des ersten Hohlrads 49 und des zweiten Hohlrads 59 haben das gleiche Verzahnungsprofil und lassen sich als gemeinsames Hohlrad 60 in einem Herstellungsprozess in einer Aufspannung erzeugen.
Der zweite Planetenträger 54 ist mit der Tretkurbelwelle 6 verbindbar, vorzugsweise mittels einer Zahnwellenverbindung zwischen einem Innenprofil an der zweiten Stegwange 55 und einem Außenprofil an einem Absatz auf der Tretkurbelwelle 6. Der zweite Planetenträger 54 ist zudem an mehreren Stellen zwischen den einzelnen zweiten Planetenrädern 57 versteift, um elastische Verformungen zu minimieren, die sich aus den Biegemomenten aus den Verzahnungskräften und dem Biegehebelarm zwischen den Angriffspunkten der Zahnkräfte an den zweiten Planetenrädern 57 und der Abstützebene der Biegemomente in der zweiten Stegwange 55 ergeben.
Das erste Sonnenrad 42 stützt sich in dieser Ausführungsvariante über ein als Gleitlager ausgeführtes und daher sehr klein bauendes erstes Sonnenradlager 43 gegenüber der Tretkurbelwelle 6 ab. Das zweite Sonnenrad 52 stützt sich vorzugsweise über ein dazu identisches und damit ebenfalls als Gleitlager ausgeführtes zweites Sonnenradlager 53 auf der Tretkurbelwelle 6 ab. Beide Gleitlager sind L-förmig ausgeführt. Sie können also Radialkräfte und Axialkräfte übertragen. Das Axiallager der ersten Sonnenradlagers 43 sitzt zwischen dem ersten Sonnenrad 42 und einer Anlaufscheibe 68, die auch das Abrutschen der ersten Stegwange 45 vom zweiten Sonnenrad 52 verhindert. Das Axiallager des zweiten Sonnenradlagers 53 sitzt zwischen dem zweiten Sonnenrad 52 und einem Absatz auf der Tretkurbelwelle 6, gegen den sich die zweite Stegwange 55 abstützt.
Durch eine axiale Federvorspannung mit federnden Wellenscheiben 62, vorzugsweise zwischen dem ersten Hauptlager 7 und dem ersten Rotorlager 33 wird auch das zweite Hauptlager 8 mit vorgespannt. So eine Vorspannung zwingt die Wälzkörper der Kugellager gegen die Laufflächen und reduziert deren Laufgeräusch.
Zur Montage der Pedaleinheit 2 werden zuerst in die linke Hälfte des Gehäuses 3 der erste Stator 35 und das erste Hauptlager 7 montiert. In die rechte Hälfte des Gehäuses 3 wird die Tretkurbelwelle 6 samt zweitem Hauptlager 8 und aller auf der Welle gelagerten Bauteile eingesetzt. Die ersten Planetenräder 47 und die zweiten Planetenräder 57 greifen dann schon in das erste Hohlrad 49 und in das zweite Hohlrad 59 ein. Vor dem an Werkzeugen geführten Zusammenfügen der vormontierten Gehäusehälften wird das Kabelbündel 28 so aus dem Gehäuse 3 geführt, dass die Gummimuffe 29 in dafür vorgesehenen korrespondierenden Ausnehmungen in den Gehäusehälften passt. Ein geteilter Klemmring 69 mit konischen Klemmflächen wird beim Zusammenschieben der Gehäusehälften so axial bewegt, dass die Gummimuffe 29 gegen weitere konische Klemmflächen in den Ausnehmungen gedrückt wird. Dadurch wird zusätzlich zur Dichtfunktion auch noch eine gewisse Zugentlastung realisiert.
Beide Hälften des Gehäuses 3 weisen in Bereich der Trennfuge einige axial verlaufende Rippen auf, in denen relativ lange Schrauben für gut vorgespannte Schraubenverbindungen sorgen. Die bearbeiteten Endflächen der Rippen dienen darüber hinaus als Schraubflächen und Zentrierungen zur Befestigung der Pedaleinheit 2 an einen Adapterflansch 70 zum Rahmen 17 des Kleinfahrzeugs.
In 4 ist eine Radnabeneinheit 12 des erfindungsgemäßen modularen Antriebssystems 1 gezeigt, die hier in einer zweiseitigen Gabelaufhängung 18 als Teil des Rahmens 17 des Kleinfahrzeugs gehalten ist. Die Achse 16 der Radnabeneinheit 12 ist an beiden Enden in der Gabelaufhängung 18 fixiert. Auf dieser Achse 16 ist über das erste Hauptlager 7 und das zweite Hauptlager 8 die zweiteilige Radnabe 13 gelagert. Die zwei Teile der Radnabe 13 sind über einen Flansch verschraubt, mit dem auch die Felge des Rades 11 verbindbar ist. Diese lösbare Verbindung ermöglicht eine einfache Demontage des Rades 11, z.B. für einen Wechsel des Reifens. So eine Schnittstelle erlaubt hier die Montage von Gussfelgen oder auch von Speichenfelgen. Außerdem ist eine Bremsscheibe 19 mit der Radnabe 13 verbindbar. Der zugehörige Bremssattel 20 ist in bekannter Weise mit der Gabelaufhängung 18 verbunden.
Um den inneren Aufbau der Radnabeneinheit 12 besser erkennen zu können, ist in 5 die gleiche Radnabeneinheit 12 ohne Rad 11 und ohne Gabelaufhängung 18 vergrößert dargestellt. Die Radnabeneinheit 12 weist einen zweiten Elektromotor 14 auf, dessen zweiter Stator 40 in einem Bauteilträger 63 sitzt, der mit einem radialen Flansch der Achse 16 verbindbar ist. Dieser radiale Flansch kann ein Teil der Achse 16 sein oder stoffschlüssig mit der Achse 16 verbunden sein. Der zweite Rotor 36 des zweiten Elektromotors 14 sitzt auf einer zweiten Rotorwelle 37, die über ein zweites Rotorlager 38 auf der Achse 16 gelagert ist.
Die zweite Rotorwelle 37 trägt das erste Sonnenrad 42 des Planetengetriebesystems des Nabengetriebes 15. Das Planetengetriebesystem des Nabengetriebes 15 ist weitgehend identisch zu dem Planetengetriebesystem des Pedalgetriebes 5. Dies wird auch sofort klar, wenn man die 3 und 5 nebeneinander liegend vergleicht.
In beiden Antriebseinheiten beinhaltet das Planetengetriebesystem des Pedalgetriebes 5 und des Nabengetriebes 15 eine erste dreiwellige Planetenradstufe 41 und eine zweite dreiwellige Planetenradstufe 51. Zur ersten dreiwelligen Planetenradstufe 41 gehört das erste Sonnenrad 42, das fest mit der Rotorwelle 32 bzw. 37 verbindbar ist. Das erste Sonnenrad 42 kämmt mit mehreren ersten Planetenrädern 47, die gleichmäßig am Umfang verteilt in einem ersten Planetenträger 44 sitzen. Dieser erste Planetenträger 44 weist wieder nur eine erste Stegwange 45 mit darauf sitzenden ersten Planetenradzapfen 46 auf. Die ersten Planetenräder 47 sind auch im Nabengetriebe 15 aus Kunststoff gefertigt. Die ersten Planetenräder 47 greifen wieder in ein erstes Hohlrad 49 ein, das in der Radnabeneinheit 15 Teil des Bauteilträgers 63 ist. Das erste Sonnenrad 42 ist in der Radnabeneinheit 15 über ein wieder als Gleitlager ausgeführtes erstes Sonnenradlager 43 gegenüber der Achse 16 gelagert.
Das erste Sonnenrad 42, das erste Sonnenradlager 43, die ersten Planetenräder 47, die ersten Planetenradlager 48 und der erste Planetenträger 44 mit der ersten Stegwange 45 und den darauf sitzenden ersten Planetenradzapfen 46 sind in der Pedaleinheit 2 und in der Radnabeneinheit 12 identisch. Die Radnabeneinheit 12 weist auch denselben Kunststoffdeckel 50 wie die Pedaleinheit 2 auf.
Die erste Stegwange 45 des ersten Planetenträgers 44 ist wieder mit dem zweiten Sonnenrad 52 der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe 51 des Nabengetriebes 15 verbunden. Dieses zweite Sonnenrad 52 hat wieder das gleiche Verzahnungsprofil wie das erste Sonnenrad 42. Die Verbindung zwischen der ersten Stegwange 45 und dem zweiten Sonnenrad 52 erfolgt wieder über eine Pressverbindung mit zylindrischer Nabenbohrung auf einem verzahnten Wellenabsatz, der bei Belastung einen Mikroformschluss bewirkt.
Die zweiten Sonnenräder 52 sind auch im Nabengetriebe 15 mittels, hier ebenfalls als Gleitlager ausgeführter zweiter Sonnenradlager 53 gegenüber der Achse 16 gelagert und kämmen mit mehreren, hier ebenfalls wieder fünf, zweiten Planetenrädern 57, die gleichmäßig am Umfang verteilt in einem zweiten Planetenträger 54 sitzen. Dieser zweite Planetenträger 54 hat auch wieder nur eine zweite Stegwange 55, die in der Radnabeneinheit 12 ein Teil der Radnabe 13 ist, und trägt hier auch die längeren zweiten Planetenradzapfen 56, auf denen die breiteren zweiten Planetenräder 57 ebenfalls über Kugellager als zweite Planetenradlager 58 gelagert sind. Die axiale Fixierung und Vorspannung der Planetenradlager 58 erfolgt ebenfalls wieder über eine verschraubte Passscheibe 67. Die zweiten Planetenräder 57 kämmen mit einem zweiten Hohlrad 59, das in der Radnabeneinheit 12 ebenfalls Teil des Bauteilträgers 63 ist. Beide Hohlräder sind wieder zu einem gemeinsamen Hohlrad 60 zusammengefasst.
In 5 sind die Achse 16 mit dem dazugehörigen radialen Flansch und der Bauteilträger 63 miteinander verschraubte Teile. Wenn diese Teile schon vor der Montage des zweiten Stators 40 verschraubt sind, oder wenn sie sogar als ein Teil zusammen erzeugt wurden, dann muss der zweite Stator 40 durch die gemeinsame Hohlradverzahnung 60 hindurch in dieses Bauteil eingesetzt werden. In diesem Fall wäre es dann erforderlich, dass der Kopfkreisdurchmesser der Hohlradverzahnung 60 betragsmäßig größer ist als der Füge-Außendurchmesser des Stators 40. Wenn der Bauteilträger 63 und die Achse 16 erst nach der Montage des Stator 40 zusammengebaut werden, kann der Kopfkreisdurchmesser des Hohlrades 60 auch betragsmäßig kleiner als der Außendurchmesser des Stators 40 sein.
Das zweite Sonnenrad 52, das zweite Sonnenradlager 53, die zweiten Planetenräder 57, die zweiten Planetenradlager 58 und die Passscheibe 67 sind ebenfalls in der Pedaleinheit 2 und in der Radnabeneinheit 12 identisch.
Auch der erste Elektromotor 4 in der Pedaleinheit 2 und der zweite Elektromotor 14 in der Radnabeneinheit 12 sind identisch. Sie sind nur unterschiedlich in das Gehäuse 3 der Pedaleinheit 2 bzw. in den mit der Achse 16 verbundenen Bauteilträger 63 der Radnabeneinheit 12 eingebaut. In der Radnabeneinheit 12 wird das Kabelbündel 28 vom zweiten Stator 40 durch eine gerade Bohrung in der Achse 16 zuerst nach innen durch das erste Hauptlager 7 hindurch und dann nach außen geführt. In der Pedaleinheit 2 wird das Kabelbündel 28 vom ersten Stator, der hier schon in dem Gehäuse 3 der Pedaleinheit 2 sitzt, radial nach außen geführt. Die unterschiedlichen Einbaulagen der Rotoren 31 und 36 führen zu etwas unterschiedlichen Rotorwellen 32 und 37 zwischen den Rotoren und den ersten Sonnenrädern 42. Auch das erste Rotorlager 33 und das zweite Rotorlager 38 unterscheiden sich. Und auch die ersten Hauptlager 7 und die zweiten Hauptlager 8 haben in der Pedaleinheit 2 und in der Radnabeneinheit 12 unterschiedliche Abmessungen, aber im Wesentlichen gleiche Aufgaben.
Die vielen identischen Bauteile in Pedaleinheit 2 und Radnabeneinheit 12 führen zu einem signifikanten Kostenvorteil so eines modularen Antriebssystems gegenüber dem Stand der Technik.
6 zeigt noch eine Ausführungsvariante der Radnabeneinheit 12 für eine einseitige Aufhängung im Rahmen 17, die insbesondere für Zweispur-Fahrzeuge vorteilhaft ist. Hier wird deutlich, warum die Achse 16 der Radnabeneinheit 12 auf der Einspannseite viel dicker ist als auf der anderen Seite. Bei der Anwendung ist Lastenrädern treten erhebliche dynamische Radlasten auf, wenn das Fahrzeug z.B. über eine Schwelle oder durch ein Schlagloch fährt. Die Achse 16 soll sich auch dann nur geringfügig durchbiegen, um auch dann einen möglichst konstanten Luftspalt zwischen dem zweiten Rotor 36 und dem zweiten Stator 40 zu behalten. Die Achse 16 steckt in einer zylindrischen Bohrung im Rahmen 17 und wir dort kraft- und/oder formschlüssig so fixiert, dass alle Reaktionskräfte und Reaktionsmomente sicher auf den Rahmen übertragen werden. Dafür sind nach dem Stand der Technik viele gleichwertige Lösungen bekannt. Das Kabelbündel 28 wird in der hier dargestellten Ausführungsvariante innerhalb der zylindrischen Bohrung in einer Nut in der Achse geführt. Dadurch lässt sich auch sehr einfach eine gute Abdichtung und eine Zugentlastung des Kabels realisieren.
Bezugszeichenliste

1: Modulares Antriebssystem
2: Pedaleinheit
3: Gehäuse der Pedaleinheit
4: erster Elektromotor
5: Pedalgetriebe
6: Tretkurbelwelle
7: erstes Hauptlager
8: zweites Hauptlager
9: Tretkurbel
10: Pedal
11: Rad
12: Radnabeneinheit
13: Radnabe
14: zweiter Elektromotor
15: Nabengetriebe
16: Achse
17: Rahmen
18: Gabelaufhängung
19: Bremsscheibe
20: Bremssattel
21: Batterie
22: Batteriecontroller
23: Gleichstromzwischenkreis
24: Umrichtersystem
25: Steuergerät
26: Bedienfeld
27: Anzeigemodul
28: Kabelbündel
29: Gummimuffe
30: Stecker
31: erster Rotor
32: erste Rotorwelle
33: erstes Rotorlager
34: erste Sensoren
35: erster Stator
36: zweiter Rotor
37: zweite Rotorwelle
38: zweites Rotorlager
39: zweite Sensoren
40: zweiter Stator
41: erste dreiwellige Planetenradstufe
42: erstes Sonnenrad
43: erstes Sonnenradlager
44: erster Planetenträger
45: erste Stegwange
46: erste Planetenradzapfen
47: erste Planetenräder
48: erste Planetenradlager
49: erstes Hohlrad
50: Kunststoffdeckel
51: zweite dreiwellige Planetenradstufe
52: zweites Sonnenrad
53: zweites Sonnenradlager
54: zweiter Planetenträger
55: zweite Stegwange
56: zweite Planetenradzapfen
57: zweite Planetenräder
58: zweite Planetenradlager
59: zweites Hohlrad
60: gemeinsames Hohlrad
61: Labyrinthkörper
62: Wellenscheibe
63: Bauteilträger
64: axialer Anschlag
65: axiale Verlängerung
66: Klemmkugeln
67: Passscheibe
68: Anlaufscheibe
69: Klemmring
70: Adapterflansch

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3884317 [0002]
DE 19600698 A1 [0005]
CN 211519777 U [0006]
CN 206841656 U [0006]
DE 102021102992 A1 [0007]
DE 102017213303 A1 [0009, 0011, 0012]
DE 102019114120 A1 [0012]

Claims

Modulares Antriebssystem (1), vorzugsweise für teilelektrisch angetriebene Kleinfahrzeuge, mit mindestens einer von einer Person mit Muskelkraft angetriebenen und im Rahmen (17) des Kleinfahrzeugs integrierten Pedaleinheit (2) und mindestens einer in einem angetriebenen Rad (11) des Kleinfahrzeugs angeordneten Radnabeneinheit (12) und mit einer Batterie (21) als Speicher elektrischer Energie und einem damit über einen Gleichstromzwischenkreis (23) verbundenen Umrichtersystem (24) zur Ansteuerung eines ersten Elektromotors (4) in jeder Pedaleinheit (2) und eines zweiten Elektromotors (14) in jeder Radnabeneinheit (12), wobei in der Pedaleinheit (2) eine in einem Gehäuse (3) gelagerte Tretkurbelwelle (6) über ein Pedalgetriebe (5) mit dem ersten Elektromotor (4) verbindbar ist, und wobei in der Radnabeneinheit (12) der zweite Elektromotor (14) über ein Nabengetriebe (15) mit einer auf einer Achse (16) gelagerten Radnabe (13) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Pedaleinheit (2) der erste Elektromotor (4), bestehend aus einem ersten Rotor (31) und einem ersten Stator (35), koaxial zur Tretkurbelwelle (6) angeordnet ist und dass das Pedalgetriebe (5) axial neben dem ersten Elektromotor (4) angeordnet ist und zwei einfache dreiwellige Planetenradstufen (41, 51), jede mit einem Sonnenrad (42, 52), einem Hohlrad (49, 59) und einem Planetenträger (44, 54) mit mehreren darauf gelagerten Planetenrädern (47, 57) beinhaltet, wobei das erste Sonnenrad (42) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) mit der ersten Rotorwelle (32) des ersten Elektromotors (4) verbunden ist, die auch den ersten Rotor (31) trägt, und wobei der erste Planetenträger (44) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) mit dem zweiten Sonnenrad (52) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) verbindbar ist und wobei der zweite Planetenträger (54) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) mit der Tretkurbelwelle (6) verbindbar ist und wobei sowohl das erste Hohlrad (49) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) als auch das zweite Hohlrad (59) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) mit einem Gehäuse (3) der Pedaleinheit (2) verbindbar ist, das auch den ersten Stator (35) des ersten Elektromotors (4) trägt.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Pedalgetriebe (5) das erste Hohlrad (49) und das zweite Hohlrad (59) ein identisches Verzahnungsprofil aufweisen und in einem gemeinsamen Hohlrad (60) zusammengefasst sind, dessen Teilkreisdurchmesser mit einer Toleranz von +/-25% betragsmäßig so groß ist wie der Außendurchmesser des ersten Stators (35) des ersten Elektromotors (4).
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Planetenräder (47) aus Kunststoff bestehen.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Planetenräder (57) aus Kunststoff bestehen.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Pedalgetriebe (5) das erste Sonnenrad (42) und das zweite Sonnenrad (52) identische Profile der Sonnenradverzahnungen aufweisen.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Elektromotor (14) in der Radnabeneinheit (12) einen zweiten Stator (40) aufweist, der zum ersten Stator (35) des ersten Elektromotors (4) identisch ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Elektromotor (14) in der Radnabeneinheit (12) einen zweiten Rotor (36) aufweist, der zu dem ersten Rotor (31) des ersten Elektromotors (4) identisch ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Nabengetriebe (15) in der Radnabeneinheit (12) koaxial zu dem zweiten Elektromotor (14) und axial neben diesem angeordnet ist und auch zwei einfache dreiwellige Planetenradstufen (41, 51) beinhaltet, jede mit einem Sonnenrad (42, 52), einem Hohlrad (49, 59) und einem Planetenträger (44, 54) mit mehreren darauf gelagerten Planetenrädern (47, 57), wobei das erste Sonnenrad (42) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) mit der zweiten Rotorwelle (37) des zweiten Elektromotors (14) verbunden ist, die auch den zweiten Rotor (36) trägt, und wobei der erste Planetenträger (44) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) mit dem zweiten Sonnenrad (52) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) verbindbar ist und wobei der zweite Planetenträger (54) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) mit der auf der innenliegenden Achse (16) gelagerten Radnabe (13) verbindbar ist und wobei sowohl das erste Hohlrad (49) der ersten dreiwelligen Planetenradstufe (41) als auch das zweite Hohlrad (59) der zweiten dreiwelligen Planetenradstufe (51) mit einem Bauteilträger (63) der Radnabeneinheit (12) verbindbar ist, der auch den zweiten Stator (40) des zweiten Elektromotors (14) trägt, und wobei der Bauteilträger (63) mit der Achse (16) der Radnabeneinheit (12) verbindbar ist.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Pedalgetriebe (5) und im Nabengetriebe (15) die jeweils ersten Planetenräder (47) und die ersten Planetenträger (44) identisch sind.
Modulares Antriebssystem (1) nach den Ansprüchen 1 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Pedalgetriebe (5) und im Nabengetriebe (15) die jeweils zweiten Planetenräder (57) und die zweiten Sonnenräder (52) identisch sind.